Биохимия метаболизма. Учебное пособие - Е. Бессолицына

Первый комплекс или NADH-дегидрогеназа взаимодействует с молекулой NADH, электроны переносятся на (FMN), в результате FMN принимает с NADH два электрона и два протона от среды, и образуется NAD+ и FMNH2, затем электроны переносятся на первый комплекс Fe4-S4 белка в результате происходит окисление FMNH2 и перенос электронов на ион железа Fe-S белка, далее железо в комплексе восстанавливается из положения Fe3+ до Fe2+. Это происходит потому, что окислительно-восстановительный потенциал NADH меньше, чем у FMN, поэтому происходит окисление NADH флавинмононуклеотидом, который затем окисляется Fe4-S4 белком, чей окислительно-восстановительный потенциал еще больше. Далее происходит серия окислительно-восстановительных реакций с участием Fe-S белков, каждый из которых является большим окислителем, чем предыдущий.

В результате восстановленный ион железа Fe2+ Fe-S белка предшественника, окисляется до положения Fe3+, следующим цепи транспорта электронов Fe-S белком, чей окислительно-восстановительный потенциал выше, чем у предшественника, в результате ион железа окислителя восстанавливается из положения Fe3+ с Fe2+.

Особенностью флавинмононуклеотида является способность переносить два электрона, как и другие нуклеотидсодержащие коферменты, тогда как железо-серные белки переносят только по одному электрону, именно поэтому флавинмононуклеотид является адаптором процесса электронов с NADH на Fe-S белки.

Затем происходит последовательный перенос с одного Fe-S белка на другой, где один ион железа окисляется, а второй восстанавливается. Точно также ион железа Fe-S белка восстановителя окисляется из Fe2+ в Fe3+, а в белке окислителе восстанавливается из Fe3+ в Fe2+. Конечным акцептором является Fe4-S4 белок, чья восстановленная Fe2+ форма, окисляется до Fe3+ убихиноном, который обладает большим окислительно-восстановительным потенциалом. В результате окисленная форма хинона Q переходит в восстановленную QH2.

Вторым источником электронов для убихинона является сукцинатдегидрогеназа: фермент цикла трикарбоновых кислот. Два электрона переносятся с сукцината на FAD в цикле трикарбоновых кислот. В результате FAD восстанавливается до FADH2, который окисляется Fe-S-белками, каждый из которых является большим окислителем и точно также происходит перенос электронов на ион железа в Fe-S-белках, а в конце концов на убихинон, который в результате восстанавливается до QH2.

Восстановленный убихинон (QH2) диффундирует к комплексу III, где связывается с субъединицей QIII, где происходит окисление восстановленного убихинона, протоны высвобождаются в межмембранное пространство, а электроны поступают на электронтранспортную цепь.

Один электрон поступает на на ген bL, а затем гем bH, а потом на хинон для дальнейшего восстановления за счет работы комплекса I или комплекса II. А вот второй электрон поступает на Fe-S белок, в результате происходит восстановление иона железа из Fe3+ до Fe2+, так как этот комплекс более сильный окислитель. Далее Fe-S белок окисляется цитохромом с1, содержащим в составе гема ион железа. В ходе реакции ион железа в Fe-S белке окисляется от Fe2+ в Fe3+, а в цитохроме с1 ион железа восстанавливается Fe3+ до Fe2+. Затем цитохром с1 окисляется подвижным цитохромом с, также содержащим ион железа, который восстанавливается до положения Fe2+.

Цитохром с мигрирует к последнему комплексу IV (цитохромоксидазе). Взаимодействуя с цитохромоксидазой цитохром с окисляется ионом меди в комплексе CuA. В результате ион железа в цитохроме с окисляется от Fe2+ в Fe3+ а ион меди в CuA восстанавливается Cu2+ в Cu+. В свою очередь комплекс окисляется ионом железа в геме а. А ион железа в составе гема а окисляется ионом железа в геме а3, который востанавливается.

Восстановленный ион железа в геме а3 окисляется ионом меди в комплексе CuB. Ион меди в этом в этом комплексе восстанавливается, а затем окисляется кислородом, параллельно присоединяя четыре протона, с образованием двух молекул воды.

Таким образом происходит перенос электронов от NADH к кислороду, то есть потока электронов или цепи последовательных окислительно-восстановительных реакций, где почти каждая молекула является акцептором электронов в предшествующей реакции и донором в последующей.

Как было рассмотрено выше, в ходе окислительно-восстановительных реакций также выделяется и поглощается энергия, в начальных этапах исследований считалось, что выделившаяся энергия затрачивается на синтез некоего макроэргического соединения, которое, гидролизуясь, дает энергию для фосфорилирования АДФ и образования АТФ. Но дальнейшие исследования показали, что на самом деле никакого соединения нет. А все экспериментальные исследования подтвердили гипотезу, а затем теорию предложенную в 1961 году Питером Митчеллом.

Хемиосмотическая гипотеза Митчелла

Митчелл предположил, что сопряжение переноса электронов и синтеза АТФ обеспечивается протонным градиентом, а не высокоэнергетическим ковалентным промежуточным продуктом или активированным белком. Согласно этой модели, перенос электронов по дыхательной цепи приводит к выбросу протонов из матрикса на цитоплазматическую сторону внутренней митохондриальной мембраны, где, таким образом, возрастает концентрация ионов Н+. В результате происходит генерирование мембранного потенциала с положительным зарядом на цитоплазматической стороне мембраны.

Гипотеза Митчелла о сопряжении окисления и фосфорилирования протонным градиентом получила к настоящему времени множество подтверждений.

1. Согласно Митчеллу, первичным событием в окислительном фосфорилировании является транслокация протонов (Н+) на наружную сторону сопрягающей мембраны (внутренней митохондриальной мембраны), осуществляемая за счет процесса окисления в дыхательной цепи. При этом предполагается, что мембрана непроницаема для ионов вообще, особенно для протонов, которые накапливаются на наружной стороне мембраны, создавая по обе стороны мембраны разность электрохимических потенциалов (Δμн). Она складывается из химического потенциала (разность рН) и электрического потенциала.

Разность электрохимических потенциалов обеспечивает действие локализованной в мембране АТФ-синтазы (или обращение процесса, катализируемого локализованной в мембране АТФ-гидролазой), которая в присутствии Фн -+ AДФ синтезирует ATФ. Таким образом, нет необходимости в высокоэнергетическом промежуточном соединении, общем для процессов окисления и фосфорилирования, как это постулирует химическая гипотеза.

Протонный градиент через внутреннюю митохондриальную мембрану создается во время переноса электронов. рН с наружной стороны на 1,4 единицы ниже, чем с внутренней, и мембранный потенциал составляет 0,14 В, причем наружная сторона несет положительный заряд. Общий электрохимический потенциал Δр (в вольтах) складывается из мембранного потенциала (ΔΨ) и градиента концентрации ионов Н + (ΔрН). В приведенном ниже уравнении R-газовая постоянная, Т – абсолютная температура, F- число Фарадея.

Δр = Δψ – RT/F*ΔрН

как видно из уравнения в него входят два компонента электрический (Δψ) и химический (RT/F*ΔрН). Электрический компонент связан с запасанием энергии, в данном случае наблюдается следующая картина:, за счет переноса протонов, водный раствор межмембранного пространства заряжен положительно, а водная часть матрикса митохондрии наоборот отрицательно, а мембрана за счет гидрофобного билипидного слоя выступает в роли прослойки из диэлектрика (это похоже на две заряженные пластины, разделенные слоем диэлектрика – а это уже конденсатор). В случае разницы в концентрациях протонов между двумя указанными выше компартментами – это тоже форма запасания энергии. Известно, что на создание градиентов затачивается энергия АТФ, например работа К/Na-АТФ-азы. При подстановке результатов, полученных при измерении, в уравнение можно получить результаты приведенные ниже.

Δр = Δψ – RT/F*ΔрН = Δψ – 0,06ΔрН = 0,14 – 0,06 (– 1,4) – 0,224 В.

Эта общая протонодвижущая сила в 0,224 В соответствует свободной энергии 5,2 ккал в расчете на 1 моль протонов. Следовательно для синтеза одного моля АТФ необходим перенос 2 моль протонов.

2. При создании градиента рН в митохондриях или хлоропластах в них происходит синтез АТР в отсутствие переноса электронов.